大连理工大学段春迎教授课题组：“套娃”式超分子催化新策略

天然酶促级联反应体系仅需催化计量的辅酶便可在复杂的体系内完成高效、高选择性多步串联催化过程，是设计理想人工催化体系的最佳模型。尤其在提倡绿色发展精细化工产业的当前，仿生催化不仅能够减少精细化学品催化生产工业中大量高反应活性、高毒性氧化剂或还原剂的投入，还可以解决污染严重和反应条件苛刻等问题。辅酶在多步串联反应间的直接高效利用和动力学匹配是提升串联反应体系效率的重中之重。学习和领悟自然界酶促过程，组装金属-有机限域超分子体系，通过主客体作用协同天然酶催化是完成辅酶原位循环利用、实现持续循环串联反应的重要手段。近日，大连理工大学精细化工国家重点实验室段春迎教授（点击查看介绍）团队基于前期工作基础（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 12707−12716; Chem. Commun., 2019, 55, 8524−8527; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8692−8696; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15284−15288），在限域超分子拟酶催化领域取得突破性进展，提出利用辅酶基金属-有机限域超分子结构与天然酶催化体系相耦合的“套娃”式催化新策略，可直接应用于仿生催化单加氧反应。

图1. a）全酶催化反应策略；b）人工酶与天然酶耦合“套娃”式催化反应策略

自然界中，黄素单加氧酶可以利用氧气在有机化合物骨架中完成直接氧插入反应。这类单加氧酶通过烟酰胺类辅酶NAD(P)H/NAD(P)⁺与黄素功能单元作用，进而获得还原态的黄素分子，而后直接与氧气作用生成黄素过氧化物中间体，再将过氧基团上的氧原子植入底物中，同时，NAD(P)H/NAD(P)⁺在酶促级联反应中再生完成催化循环。利用辅酶基金属-有机限域超分子结构作为“套娃”结构中间层，与内层包封的黄素结构单元和外层脱氢酶通过主客体作用相结合，构建了人工酶与天然酶级联催化反应新模式。通过系统研究辅酶基限域超分子结构与黄素的主客体作用模式，论文揭示出这种“套娃”式主客体催化策略有利于催化单元、辅助催化单元和底物在空间距离的接近，并通过结构中丰富的氢键稳定反应过渡态进而加速反应的进行。利用光谱表征和理论计算，论文阐明了中间层携带内层客体分子同样通过主客体途径进入外层的天然酶蛋白催化口袋，在这种“套娃”式主客体体系的作用下，中间层辅酶不需要在串联反应间转移，确保质子和电子的传递可以原位进行，在温和条件下即可实现环酮和硫醚化合物高效的单加氧反应。同时论文所提出的“套娃”式主客体催化策略不需要添加额外的氧化剂和还原剂且不生成化工中常见的过度氧化产物，为精细化学品催化材料的设计提供理论指导，并为精细化工产业的绿色发展做出贡献。

图2. 人工酶与天然酶耦合“套娃”式反应过程示意图

这一成果近期发表在《自然•通讯》（Nature Communications）上，文章第一作者是精细化工国家重点实验室赵亮副教授和博士研究生蔡俊凯，通讯作者为段春迎教授。以上工作得到了国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划、大连市高层次人才创新支持计划和大连理工大学星海优青基金的大力支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A host–guest approach to combining enzymatic and artificial catalysis for catalyzing biomimetic monooxygenation

Liang Zhao, Junkai Cai, Yanan Li, Jianwei Wei, Chunying Duan*

Nat. Commun., 2020, 11, 2903. DOI: 10.1038/s41467-020-16714-7

导师介绍

段春迎

https://www.x-mol.com/university/faculty/9437

http://faculty.dlut.edu.cn/Chunying_Duan/zh_CN/index.htm

赵亮

https://www.x-mol.com/university/faculty/78587

http://faculty.dlut.edu.cn/Zhao_Liang/zh_CN/index.htm